一种新型浮动式多功能婴儿摇篮装置的设计

韦 为 张佐玺 农昌涌 银培杰 黄晓宇

（广西大学，广西 南宁530004）

0 引言

随着生活水平的提高，人们对婴儿产品的关注也逐渐增加[1-2]，尤其是婴儿摇床，从人体功能学的角度来讲，摇篮摇动的频率要小于50次/分钟,但是国内销售的婴儿床，无论是吊带式的还是拉杆式的，摇动频率通常在60-70次/分钟，容易造成婴儿的摇篮综合症，延缓婴儿的智力和体力的发育，此外传统的摇篮要么只能左右摇动，要么只能前后摇动，无法多自由度摇动[3]。

针对传统摇篮存在的弊端，本文提出了一种由旋转机构、摇摆机构、控制系统、支架四部分构成新型浮动式多功能婴儿摇篮装置。改装置不仅可以将摇动频率降低到50次/分钟以下，而且利用浮动方式，实现了摇篮多自由度的摇动和缓慢的旋转运动，大大的提高了摇篮摇动方式的多样性，为婴儿提供了更多更有健康乐趣的摇摆功能，是一种有较大应用前景的浮动式多功能婴儿摇篮装置。

1 结构和原理

1.1 基本结构

本文设计的浮动式多功能婴儿摇篮装置由旋转机构、摇摆机构、控制系统、支架四部分构成。

1.1.1 旋转机构

旋转机构由内盘、电动机、齿轮、内盆齿条和套环等构成，电机带动齿轮与内盆齿条啮合，内盆齿条装在内盘上，并通过套环安放在摇篮装置的支架上，通过电机最终带动内盆旋转，内盘齿条机构如图1所示。

图1 内盘齿条机构图

1.1.2 摇摆机构

摇摆部件由电动机、凸轮顶杆机构和齿轮减速机构构成。电动机带动齿轮旋转、进而凸轮旋转，由于升程的变化，带动挺杆上下往复运动，使内盆产生摆动，两凸轮左右配合，通过配合旋转机构，可实现内盘前后左右摆动，进而通过旋转功能，实现相对而言的前后摆动。

1.2 工作原理

其工作原理如下：浮动式多功能婴儿摇篮装置根据阿基米德浮力定律，将传统的婴儿床变成婴儿船，放置在注有水的托盆中，利用浮力抵消婴儿的体重，使支撑块上的滚轮受力相对很小，相对传统婴儿床，能耗明显降低，利用单片机控制电路控制驱动旋转和摇摆的电动机，控制电动机的转动和停止以及转速大小，既可手动控制，又可以自动控制。

摇摆功能的实现：是用电动机带动齿轮转动，进而让凸轮旋转，凸轮旋转过程中，由于升程的变化，推动顶杆做上下的往复运动，顶杆又受限位孔的作用，只能上下运动，并且顶杆下方的滚轮的滚动方向也受到了制约。顶杆的上下运动不断推动内盆在水上做摇摆运动，由于内盆上方导轨与支撑块滚轮一起的限位作用，内盆只能按规定轨迹摇摆。

旋转功能的实现：是将电动机的输出经三级齿轮减速后与内盆上的齿条啮合，带动内盆旋转，内盆上方有柔性导轨，下方有安装着滚轮的套环，在导轨与套环的限位作用下，内盆旋转位置不变，并且在水上旋转，阻力很小，用来驱动的电动机的功率很小，且由于水的缓冲作用，能够实现机构的平稳运动。

2 控制系统及测试

2.1 控制系统

控制系统主要由液晶显示模块、输入模块、旋转模块、摇摆模块、循环模块、报警模块、微控制器、电机控制模块、电源模块等部分组成，如图2所示。

整个运动的控制采用STC12C5A60S2单片机控制，芯片内具有丰富的内部资源[4－5]，有手动控制和自动控制两种方案，供使用者选择。手动控制有旋转控制开关和摇摆控制开关。自动控制是旋转控制和摇摆控制的结合，即摆动一段时间后停止，接着进行旋转运动，不断地进行往复运动。一个电动机控制摆动功能，另一个控制旋转功能。并且两个电动机分别有各自的调速按钮，可以调节旋转和摇摆的速度。调节支撑块上的垫片数量，可以调节摇床的摆动幅度。

图2 控制系统结构框图

2.2 实验测试

实验中，将仿真婴儿体放入内盆，开始测试：第一步按下操控板旋转开关，在电机带动下内盆正常旋转，物块没有大幅摇晃，然后关闭旋转开关；第二步按下操控板摆动开关，在凸轮顶杆作用下内盆正常摆动，然后关闭摆动开关；第三步按下循环开关，电机分时启动，半分钟旋转和半分钟摆动，记录数次摇动频率，结果摇动频率均低于50次/分钟。

3 结论

实验表明，该浮动式多功能婴儿摇篮装置可通过自动控制实现多自由度摇摆和360°旋转功能，具有诸多优点：

3.1 该摇篮装置同时实现了左右摇摆、前后摇摆和缓慢的360°旋转的功能，摇动频率均低于50次/分钟，安全舒适，对小儿进行有规律、舒缓的摇摆，达到提高小脑的平衡功能，有利于促进婴儿的健康发育；

3.2 将婴儿床放置在注有水的托盆中，利用浮力抵消婴儿的体重，使传统的婴儿摇篮变成婴儿船，具有阻力小，耗能低，摇摆和旋转运动平稳等特点。

［1］延海霞.婴儿摇篮产品设计开发与研究[J].机电产品开发与创新,23(4):84-86.

［2］黄春.婴儿摇床自动晃动装置[J].电子世界，1990,6：14-15.

［3］苏成富.自制多功能婴儿摇床[J].实用无线电，1995,6：12-14.

［4］杨凯，李钟慎，黄春池.名优茶鲜叶智能养护机的设计[J].华侨大学学报，2013，10:13-15.

［5］邓星钟.机电传动控制[M].武汉：华中科技大学出版社，2003:349-361.